水文现代化：数字水文模型

1.数字模型与数字水文模型

美国Crawford和Linsley早在1966年就提及数字模拟（Digital Simulation），1980年，Morrissey等人在地下含水层水流模拟领域亦曾提到数字计算机模型（Digital-Computer Model）和数字模拟技术（Digital Modeling Techniques）。他们之所以称这些模型为数字模拟，是因为水文数学模型的计算是用数字计算机程序（Digital-Computer Programs）来进行的。也就是说，他们提及的“Digital”是与数字计算机联系在一起的。确切地说，应该将这些模型归类为Morrissey等所谓的数字计算机模型（Digital-Computer Model）。这些模型的概念、内涵都还是在方法、技术的层面上，与此处提出的数字水文模型相差甚远。

近年来，计算机信息技术的发展，使数字地面模型（Digital Terrain Model，缩写成DTM）技术日臻成熟，如流域地形、植被、土壤、分水线、河网、子流域的表达及集水面积的计算完全能用数字化技术来实现，已为流域水文过程的空间分布模拟提供了良好的环境。

数字地面模型定义为描述地面诸特性空间分布的有序数值阵列，其本质属性是二维地理空间定位和数字表达。通常的情况下，DTM所描述的地面特性是高程Z，这种高程空间分布的数字地面模型称作数字高程模型（Digital Elevation Model，缩写成DEM）。DTM/DEM的出现为数字水文学的发展和数字水文模型的诞生提供了坚实的技术基础。

数字水文模型就是构建在DTM/DEM基础之上的一种分布式水文模型，其实质是基于DTM/DEM建立的数字高程流域水系模型与数字产流模型和数字汇流模型有机结合。首先将流域所有的下垫面特征（诸如流域分水线、子流域集水面积、水系、地形、植被、土壤）处理为栅格型数字式的点阵，并由计算机根据地形自动生成流域产流单元、汇流路径和水系，衍生数字高程流域水系模型或数字河网模型，再依据下垫面地形特性、水流方向及河网水系特征由计算机将流域自动划分成子单元。该子单元可以是与下垫面信息源空间分辨率相适应的任意小单元，划分的方法具有一定的物理基础，避免了以往根据降雨站网划分子流域单元的缺陷。在这些子单元上根据各自的下垫面特性分别构建数字产流模型（这些子单元上的特性、水文变量及参数均以数字矩阵形式记载），再与数字河网模型派生出的数字汇流模型嵌套联结，最终获得流域出口断面的径流过程。

早期传统的水文模型受到资料、信息和计算技术的限制，只能对具有水文测站的流域进行径流模拟计算。这种计算常常是集总的，不考虑空间分布。数字水文模型在给出水文参量和状态变量的空间分布与时间序列方面具有很大的优越性，它能给出水文要素的空间分布场，尤其可以从降雨、蒸发、径流数据中挖掘出土壤干湿状况等信息。(www.xing528.com)

2.数字水文

在数字模型的框架下，可以将人类已经拥有的水文科学理论、知识与具有较强物理概念的水动力学模型集成于一体，为水文产汇流和水资源计算提供良好的平台。尤其是水文学与计算机及信息科学的交叉形成了数字水文学。

“数字水文”是地球空间多源水文信息的数字整合。它的核心是将传统的站点观测水文数据与数字地球中各种源数据，经过同化系统的加工处理，产生数字化的、覆盖整个流域或区域空间的、多重时间和空间尺度的、多种要素的、有用的数据产品。如果套用“数字地球”的概念，则数字水文就是对真实水文现象统一性的数字化重现与认识，它有两个核心思想：一是用数字化手段统一处理水文问题；二是最大限度地利用信息资源。

数字水文的研究内容可以概括为三个方面：①数字流域构建技术。这既是水文研究的基础设施，也是水文研究的技术平台。②水信息同化挖掘技术。这是介于数字流域技术平台和数字成品技术之间的桥梁与纽带，其中数字模型起着举足轻重的作用。数字模型为遥感遥测技术所获取的雨量信息在水文模型中的应用提供了最佳平台和技术准备，同时实现将观测点信息拓展、同化至流域面上的信息。③数字成品技术。这一技术是以数字流域为基础，运用数字模型开发出的为国家宏观决策和国民经济各行各业服务最终产品。

数字水文是数字地球中十分重要的组成部分。水是生命的源泉，农业的命脉，工业的血液，生态环境中最具活力和最活跃的因子，水循环过程与国计民生息息相关。由于自然原因和人类活动的影响，水循环给人类社会带来洪、旱、污灾等问题。随着人口的增长、工业的发展、城镇化的加快，水问题日益突出，严重制约着生态、经济、社会的可持续发展。数字地球中与水有关的问题需要水文科学的理论、知识，反过来数字地球中开发的数字信息获取技术、处理技术、通信技术、存储和管理技术、网络技术、数字成品技术、信息挖掘等为水文科学迈向新台阶创造了极有利的技术条件。数字水文学乃是科学与技术在更高层次上的融合，将站点的观测资料数据同化挖掘成流域面上的信息需要数字水文学的发展。